Страница 16 - гдз по химии 10 класс проверочные и контрольные работы Габриелян, Лысова

3. Структурная формула бутана

1) $CH_3-\underset{CH_3}{|}CH-CH_2-CH_3$

2) $CH_3-CH_2-CH_2-CH_2-CH_3$

3) $CH_3-CH_2-CH_2-CH_3$

4) $\begin{array}{c} CH_2-CH_2 \\ | \quad | \\ CH_2-CH_2 \end{array}$

Решение

Бутан — это алкан, который, согласно названию (приставка "бут-"), содержит четыре атома углерода в своей цепи. Общая формула для алканов — $C_nH_{2n+2}$. Для бутана, где $n=4$, молекулярная формула будет $C_4H_{2 \cdot 4 + 2}$, что равно $C_4H_{10}$. Теперь необходимо проанализировать каждый предложенный вариант, чтобы найти тот, который соответствует этой формуле и строению.

1) $CH_3—CH(CH_3)—CH_2—CH_3$

В этой структурной формуле содержится 5 атомов углерода (один из них в боковой цепи) и 12 атомов водорода. Молекулярная формула этого соединения — $C_5H_{12}$. Это 2-метилбутан (или изопентан). Следовательно, это не бутан.

2) $CH_3—CH_2—CH_2—CH_2—CH_3$

Данная формула представляет собой неразветвленную цепь из 5 атомов углерода. Это н-пентан с молекулярной формулой $C_5H_{12}$. Следовательно, это не бутан.

3) $CH_3—CH_2—CH_2—CH_3$

Эта формула показывает неразветвленную (нормальную) цепь из 4 атомов углерода. Подсчитаем количество атомов водорода: $3+2+2+3=10$. Молекулярная формула — $C_4H_{10}$. Это н-бутан. Хотя на изображении цепь нарисована изогнутой, порядок соединения атомов соответствует бутану. Этот вариант правильный.

4) Циклическая структура с 4 атомами углерода.

Это соединение является циклобутаном. Общая формула циклоалканов — $C_nH_{2n}$. Для циклобутана ($n=4$) молекулярная формула — $C_4H_8$. Следовательно, это не бутан.

Ответ: 3.

4. Укажите название алкана, формула которого

$CH_3-CH_2-CH(CH_3)-CH_3$

1) бутан

2) 2-метилбутан

3) пентан

4) 3-метилбутан

Решение

Для того чтобы дать правильное название алкану по международной номенклатуре ИЮПАК, необходимо выполнить следующие действия:

1. Выбор главной (самой длинной) углеродной цепи. В представленной структурной формуле $CH_3-CH_2-CH(CH_3)-CH_3$ самая длинная непрерывная цепь атомов углерода состоит из 4 атомов. Алканы с четырьмя атомами углерода в цепи называются бутанами, поэтому основа названия — «бутан».

2. Нумерация атомов углерода в главной цепи. Нумерацию цепи необходимо начинать с того конца, к которому ближе расположен заместитель. В данном соединении заместителем является метильная группа ($-CH_3$).

Рассмотрим два возможных способа нумерации:

а) Нумерация слева направо: $ \overset{1}{C}H_3-\overset{2}{C}H_2-\overset{3}{C}H(CH_3)-\overset{4}{C}H_3 $. При такой нумерации метильная группа находится у третьего (3) атома углерода.

б) Нумерация справа налево: $ \overset{4}{C}H_3-\overset{3}{C}H_2-\overset{2}{C}H(CH_3)-\overset{1}{C}H_3 $. При такой нумерации метильная группа находится у второго (2) атома углерода.

3. Составление полного названия. Согласно правилу наименьших номеров (локантов), следует выбирать тот вариант нумерации, при котором заместители получают наименьшие возможные номера. Сравнивая номера 3 и 2, мы выбираем наименьший — 2. Следовательно, правильная нумерация цепи — справа налево.

Полное название формируется по схеме: номер положения заместителя + название заместителя + название основной цепи.

Таким образом, получаем название: 2-метилбутан.

Среди предложенных вариантов ответа этот вариант находится под номером 2.

Ответ: 2-метилбутан.

5. Наиболее низкую температуру кипения имеет

1) бутан

2) гексан

3) пропан

4) этан

Решение

Вопрос касается определения вещества с самой низкой температурой кипения из предложенного списка: бутан, гексан, пропан и этан. Все перечисленные вещества являются алканами — насыщенными углеводородами, относящимися к одному гомологическому ряду с общей формулой $C_n H_{2n+2}$.

Температура кипения веществ, имеющих молекулярную кристаллическую решетку, к которым относятся алканы, зависит от силы межмолекулярного взаимодействия. Для неполярных молекул алканов основным типом межмолекулярных сил являются силы Ван-дер-Ваальса (лондоновские дисперсионные силы).

Сила этих взаимодействий прямо пропорциональна размеру молекулы (ее молярной массе и площади поверхности). В гомологическом ряду алканов с увеличением числа атомов углерода в цепи увеличивается их молярная масса и площадь контакта между молекулами. Это приводит к усилению межмолекулярных взаимодействий. Чтобы преодолеть более сильные силы притяжения между молекулами и перевести вещество из жидкого состояния в газообразное, требуется больше энергии, что соответствует более высокой температуре кипения.

Следовательно, для того чтобы найти алкан с наиболее низкой температурой кипения, необходимо найти алкан с наименьшим числом атомов углерода в цепи.

Рассмотрим представленные алканы и их химические формулы:

1) Бутан: $C_4H_{10}$ (4 атома углерода)

2) Гексан: $C_6H_{14}$ (6 атомов углерода)

3) Пропан: $C_3H_8$ (3 атома углерода)

4) Этан: $C_2H_6$ (2 атома углерода)

Сравнивая количество атомов углерода, мы видим, что наименьшее их число содержится в молекуле этана. Расположив вещества в порядке увеличения длины углеродной цепи (и, соответственно, увеличения температуры кипения), получим ряд: этан < пропан < бутан < гексан.

Таким образом, этан, имеющий самую короткую углеродную цепь и наименьшую молярную массу, обладает самыми слабыми межмолекулярными силами и, как следствие, самой низкой температурой кипения.

Ответ: 4) этан

6. Метан в отличие от гексана

1) имеет запах

2) растворим в воде

3) является газом

4) не имеет цвета

Решение

Для ответа на этот вопрос необходимо сравнить физические свойства метана ($CH_4$) и гексана ($C_6H_{14}$). Оба этих вещества являются алканами (насыщенными углеводородами), но относятся к разным частям гомологического ряда, что и определяет разницу в их свойствах.

В гомологическом ряду алканов с увеличением числа атомов углерода в молекуле (и, соответственно, с ростом молекулярной массы) усиливаются межмолекулярные взаимодействия (силы Ван-дер-Ваальса). Это приводит к закономерному повышению температур кипения и плавления.

Рассмотрим предложенные варианты отличий:

1) имеет запах
Чистый метан ($CH_4$) — это газ без цвета и запаха. Специфический запах бытовому газу придают специально добавляемые вещества (одоранты) для безопасности. Гексан ($C_6H_{14}$) — жидкость со слабым характерным запахом. Следовательно, утверждение, что метан в отличие от гексана имеет запах, неверно. Наоборот, гексан имеет запах, а чистый метан — нет.

2) растворим в воде
И метан, и гексан являются неполярными органическими соединениями. Вода — это полярный растворитель. Согласно правилу «подобное растворяется в подобном», оба вещества практически нерастворимы в воде. Это их общее свойство, а не отличие.

3) является газом
Метан ($CH_4$) — первый член гомологического ряда алканов. Он имеет очень низкую температуру кипения ($-161.6$ °C), поэтому при стандартных условиях (например, при комнатной температуре) он является газом. Гексан ($C_6H_{14}$) имеет в цепи шесть атомов углерода, его молекулярная масса значительно больше, а температура кипения составляет $+69$ °C. Таким образом, при стандартных условиях гексан — это жидкость. Это утверждение верно и является ключевым физическим отличием метана от гексана.

4) не имеет цвета
И метан, и гексан являются бесцветными веществами. Это их общее свойство, а не отличие.

Таким образом, единственное правильное утверждение, описывающее свойство метана, которым он отличается от гексана, — это его агрегатное состояние.

Ответ: 3

7. Для полного сгорания $6 \text{ л}$ метана необходим кислород объёмом (н. у.)

1) $6 \text{ л}$ 2) $12 \text{ л}$ 3) $18 \text{ л}$ 4) $22,4 \text{ л}$

Дано:

Найти:

Решение:

Для решения задачи необходимо составить уравнение реакции полного сгорания метана. Метан ($CH_4$) - это углеводород, при полном сгорании которого образуются углекислый газ ($CO_2$) и вода ($H_2O$).

Сбалансированное уравнение химической реакции имеет вид:

$CH_4 + 2O_2 \rightarrow CO_2 + 2H_2O$

Согласно закону объёмных отношений Гей-Люссака, объёмы газов, вступающих в реакцию и образующихся в её результате, при одинаковых условиях (в данном случае, нормальных) соотносятся как их стехиометрические коэффициенты в уравнении реакции.

Из уравнения видно, что 1 объём метана реагирует с 2 объёмами кислорода. Таким образом, соотношение объёмов реагентов составляет:

$V(CH_4) : V(O_2) = 1 : 2$

На основе этого соотношения можно составить пропорцию:

$\frac{V(CH_4)}{1} = \frac{V(O_2)}{2}$

Выразим из данной пропорции искомый объём кислорода:

$V(O_2) = 2 \cdot V(CH_4)$

Подставим известное значение объёма метана в формулу:

$V(O_2) = 2 \cdot 6 \text{ л} = 12 \text{ л}$

Таким образом, для полного сгорания 6 л метана необходимо 12 л кислорода.

Ответ: 12 л.

8. Укажите формулы веществ А и В в схеме $C_2H_5Br \xleftarrow{A} C_2H_6 \xrightarrow{B} H_2O$.

1) $Br_2$ и $H_2$

2) $HBr$ и $O_2$

3) $Br_2$ и $O_2$

4) $HBr$ и $CO_2$

Решение

В задании дана схема химических превращений, в которой из этана ($C_{2}H_{6}$) получают два разных вещества. Необходимо определить реагенты А и В, участвующие в этих реакциях.

Превращение под буквой А: $C_{2}H_{6} \xrightarrow{A} C_{2}H_{5}Br$

В результате этой реакции из этана ($C_{2}H_{6}$), который относится к классу алканов, образуется бромэтан ($C_{2}H_{5}Br$) — галогеналкан. Это реакция замещения, при которой один атом водорода в молекуле этана замещается на атом брома. Такие реакции для алканов называются реакциями галогенирования. Они протекают при взаимодействии алкана с молекулярным галогеном, в данном случае с бромом ($Br_{2}$). Условием реакции является облучение ультрафиолетовым светом или нагревание.

Уравнение химической реакции: $C_{2}H_{6} + Br_{2} \xrightarrow{h\nu} C_{2}H_{5}Br + HBr$

Следовательно, вещество А — это $Br_{2}$.

Превращение под буквой B: $C_{2}H_{6} \xrightarrow{B} H_{2}O$

В результате этой реакции из этана ($C_{2}H_{6}$) образуется вода ($H_{2}O$). Для углеводородов образование воды (и углекислого газа) характерно для реакции горения, то есть полного окисления кислородом ($O_{2}$) при высокой температуре.

Уравнение реакции горения этана: $2C_{2}H_{6} + 7O_{2} \xrightarrow{t} 4CO_{2} + 6H_{2}O$

Следовательно, вещество B — это $O_{2}$.

Таким образом, вещество А — это $Br_{2}$ (бром), а вещество B — это $O_{2}$ (кислород). Данная комбинация соответствует варианту ответа №3.

Ответ: 3) $Br_2$ и $O_2$

9. Верны ли утверждения?

А. Гомологи имеют сходное строение и свойства, но по составу отличаются на одну или несколько групп $-$CH_2-$.

Б. Циклоалканы — это предельные углеводороды с замкнутыми углеродными цепями.

1) верно только А

2) верно только Б

3) оба утверждения верны

4) оба утверждения неверны

Решение

А. Гомологи — это вещества, принадлежащие к одному классу органических соединений, имеющие сходное химическое строение и, как следствие, сходные химические свойства. Состав каждого последующего члена гомологического ряда отличается от предыдущего на гомологическую разность, которой чаще всего является метиленовая группа (—$CH_2$—). Таким образом, данное утверждение полностью соответствует определению гомологов и является верным.

Б. Циклоалканы — это углеводороды, в которых атомы углерода образуют замкнутую циклическую структуру. Так как все связи между атомами углерода в циклоалканах являются одинарными (сигма-связями), они относятся к классу предельных (насыщенных) углеводородов. Следовательно, утверждение, что циклоалканы — это предельные углеводороды с замкнутыми углеродными цепями, является верным.

Поскольку оба утверждения, А и Б, верны, необходимо выбрать вариант ответа, который подтверждает истинность обоих утверждений.

Ответ: 3